Análisis numérico de las prestaciones de un motor de encendido provocado operando con mezclas de amoniaco e hidrogeno

Abstract

[ES] Las emisiones de gases de efecto invernadero contribuyen a unos de los problemas más importantes de la sociedad actual, el calentamiento global. Una de las medidas con las que se intenta paliar este efecto es reducir la producción de gases de efecto invernadero (GEI) como el dióxido de carbono (CO2), los hidrocarburos y otros contaminantes derivados de procesos de combustión de combustibles fósiles. Para evitar dichas emisiones durante la quema de combustibles, se plantean alternativas que no tengan presencia de carbono en su composición. Una solución a medio plazo puede ser el uso de amoníaco (NH3), al que se le puede aplicar hidrógeno (H2) como aditivo, este ´último se encarga de mejorar las propiedades de la combustión. Durante este proyecto, se ha desarrollado un modelo virtual que recrea un motor monocilíndrico de encendido provocado en el que se llevan a cabo simulaciones en distintos puntos de operación, usando amoníaco puro y amoníaco enriquecido con hidrógeno como combustible. Este motor virtual ha sido validado con ensayos experimentales realizados en banco usando gas natural comprimido como combustible. Todo ello, con el objetivo de realizar prospecciones mediante la integraci´on de un modelo cinético-químico que, junto con correlaciones semi-empíricas, permiten estimar la ley de combustión de los combustibles considerados. Posteriormente, se analizan las propiedades del amoníaco como combustible, que cuenta con propiedades energéticas y de combustión bajas pero se trata de un vector energético capaz de solventar las dificultades tecnológicas del uso de hidrógeno en motores de combustión interna. Por último, se analiza el comportamiento del amoníaco al ser enriquecido con distintos porcentajes de hidrógeno, que mejora las propiedades de combustión y presenta mayor poder calorífico respecto al amoníaco. Para finalizar, los resultados comparan, por un lado, las prestaciones del gas natural comprimido con las del amoníaco y, en segundo lugar, las obtenidas al enriquecer con hidrógeno. Del primer análisis, se puede extraer un mayor rendimiento indicado y un aumento del consumo específico por parte del NH3. Por otro lado, la adición de hidrógeno mejora el consumo específico, a pesar de que el rendimiento indicado dependa de la cantidad añadida la mezcla.

[EN] Greenhouse gas emissions contribute to one of the most important problems of today’s society, global warming. One of the measures to mitigate this effect is to reduce the production of greenhouse gases (GHG) such as carbon dioxide (CO2), hydrocarbons and other pollutants derived from fossil fuel combustion processes. In order to avoid such emissions during fuel combustion, carbon-free alternatives are being considered. A medium-term solution may be the use of ammonia (NH3), to which hydrogen (H2) can be applied as an additive to improve combustion properties. During this project, a virtual model has been developed that recreates a single-cylinder, spark ignition engine in which simulations are performed at different operating points, using pure ammonia and hydrogen-enriched ammonia as fuel. This virtual engine has been validated with experimental bench tests using compressed natural gas as fuel. All this, with the aim of performing prospections through the integration of a kinetic-chemical model that, together with semi-empirical correlations, allows estimating the combustion law of the fuels considered. Subsequently, the properties of ammonia as a fuel, which has low energy and combustion properties but is an energy vector capable of solving the technological difficulties of using hydrogen in internal combustion engines, are analysed. Finally, the behaviour of ammonia is analysed when enriched with different percentages of hydrogen, which improves combustion properties and has a higher calorific value than ammonia. Finally, the results compare, on the one hand, the performance of compressed natural gas with that of ammonia and, secondly, those obtained when enriched with hydrogen. From the first analysis, it is possible to extract a higher indicated performance and an increase in specific consumption for NH3. On the other hand, the addition of hydrogen improves the specific consumption, although the indicated yield depends on the amount added to the mixture